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Einbahnstraße für Wärmestrom

Molekülketten als Gleichrichter / Unterschiedliche Schwingungen

Von Rainer Scharf

Erhitzt man einen Kupferdraht an einem Ende, so strömt die Wärme zu dem anderen, das kälter ist. Dabei spielt es keine Rolle, an welchem der beiden Enden man den Draht erhitzt hat: Der Draht leitet die Wärme in beide Richtung gleich gut. Doch jetzt haben Wissenschaftler der Universität von Como berechnet, daß Molekülketten unter bestimmten Bedingungen die Wärme in eine Richtungen wesentlich besser leiten können als in die andere. Die Ketten sind dann gewissermaßen Wärmegleichrichter.

Die Atome in den Molekülketten schwingen desto stärker um ihre Ruhelagen, je höher die Temperatur der Kette ist. Für ihre Berechnungen nahmen die Wissenschaftler um Giulio Casati an, daß diese Schwingungen stark disharmonisch sind. Wird ein Atom nur geringfügig aus dem Gleichgewicht gebracht, so schwingt es mit hoher Frequenz um seine Ruhelage. Wird es hingegen stärker ausgelenkt, so ist die Frequenz wesentlich niedriger. Bei Erwärmung der Kette nimmt also die Schwingungsfrequenz der Atome ab. Zudem binden elastische Kräfte jedes Atom an seine beiden Nachbarn in der Molekülkette und halten dadurch die Kette zusammen. Mit einem solchen Modell lassen sich zum Beispiel die Bewegungen der Atome in einem DNS-Molekül beschreiben.

Die Molekülkette wird zum Wärmegleichrichter, wenn man ihre beiden Enden mit einem harten und einem weichen Kristall in Kontakt bringt ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 094302). Im harten Kristall sind die Atome äußerst fest miteinander verbunden. Sie schwingen mit einer hohen, temperaturunabhängigen Frequenz um ihre Ruhelagen. Im weichen Kristall sind die Atome weniger starr gebunden und schwingen deshalb mit niedrigerer Frequenz, die ebenfalls temperaturunabhängig ist.

Wird der weiche Kristall erwärmt und der harte gekühlt, so kann den Berechnungen zufolge die Wärme gut über die sie verbindende Molekülkette fließen. Die Atome des weichen Kristalls führen langsame Schwingungen aus und regen dadurch die angrenzenden Atome der Molekülketten zu ebensolchen Schwingungen an. Die Schwingungen breiten sich entlang der Kette aus, und es findet ein Wärmetransport statt. Dabei stellt sich ein Temperaturgefälle vom warmen zum kalten Ende der Kette ein. Die Atome der Kette schwingen desto schneller, je näher sie sich am kalten Kettenende befinden. Dort schwingen die Atome so schnell, daß sie schließlich auch die Atome im harten Kristall zu Schwingungen anregen können.

Ganz anders ist die Situation, wenn man den harten Kristall erwärmt und den weichen kühlt. Dann ist die Kette an ihrem warmen Ende schnellen Atomschwingungen ausgesetzt und an ihrem kalten langsamen. Die Atome in der Kette können indes bei hoher Temperatur nur langsam und bei niedriger Temperatur nur schnell schwingen. Die Schwingungen der Kristall- und der Kettenatome sind also nur schlecht aufeinander abgestimmt. In diesem Fall ist die Kette ein Isolator, der die Wärme vom harten zum weichen Kristall nur schlecht leitet.

Mit einem solchen Wärmegleichrichter könnte man Halbleiterbauelemente kühlen oder chemischen Mikroreaktoren Wärme zuführen. Denkbar ist auch ein Wärmetransistor, mit dem sich Wärmeströme steuern ließen. Noch ist man weit davon entfernt, solche thermischen Bauelemente herstellen zu können. Daß dies jedoch im Prinzip möglich ist, hat die Arbeit der Forscher in Italien gezeigt. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 27.03.2002, Nr. 73 / Seite N2

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